步进电机原理

2014-12-8

步进电机基本原理
 
      电机将电能转换成机械能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的,并可重复,这就是为什么步进电机在定位应用中如此有效的原因。
      永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。给线圈绕组通电将产生一个电子磁场,分为北极和南极,见图1所示。定子产生产磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

    
 
      图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中,两相定子中的A相被通电,因异性相吸,其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相被通电时,转子顺时针旋转90°。在第3步中,B相关闭、A相被通电,但极性与第1步相反,这促使转子再次旋转90°。在第4步中,A相关闭、B相通电,极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

 
 
    图2中显示的步进顺序称为“单相通电”步进。更常用的步进方法是“双相通电”,即电机的两相一直通电。但是,一次只能转换一相的极性,见图3所示。两相步进时,转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电,本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩,但输入功率却为2倍。

半步步进
        电机也可以转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如,一个90°的步进电机将每半步移动45°,见图4。但是,与“两相通电”相比,半步进通常导致15%-30%的力矩损失(取决于步进速率)。在每交换半步的过程中,由于其中一个绕组没有通电,所以作用在转子上的电磁力要小,造成了力矩的净损失。
 

双极性绕组
    二相通电步进顺利利用了一种“双极性线圈绕组”的方法,每极只有一个绕组,通过改变绕组中的电流方向,从而改变相应极上的电磁极性,典型的两相双极驱动的输出步骤在电器原理图和下面图5中的步进顺序中有进一步阐述。

单极性绕组
    另一常用绕组是单极性绕组,每个电极上饶有两个绕组,当一个绕组通电时,产生被磁场,另一个绕组通电则产生南磁场,因为从驱动器到线圈的电流不会反向,所以可称为单极性绕组。该方法下电机的步进顺序见图6所示。通过这种设计使得电子驱动器简单化,但是与双极性绕组相比,其力矩大约小30%,因为磁线圈仅被利用了一半。

 

其它步距角
        为了获得更小的步距角,叫要求定子和转子有更多的磁极,要求定子和转子上有相同对数的磁极,一个步距角为7.5度的电机有12对磁极,每个磁极板上有12个齿,每个绕组有两个磁极板,每个电机有两个绕组,因此有一个步距角为7.5度的步进电机有48个磁极,图7是一个剖面图举例说明一个7.5度的步进电机的4个磁极板,成倍的步进也可以提供较大的运动。例如,一个7.5度的步进电机6个步进量可以产生45度的运动。

 

 图7.一个7.5度步进电机磁极板的局部剖面图

 

精度
    永磁式步进电机精确度达6-7%每步,且不累积。一个7.5度的步进电机每步的误差会少于0.5度,而且不管走了多少步,这个误差是不会累积的。
 
共振
    由于电机是一个弹性体系统,所以步进电机有一个固有的谐振频率,当步进速率等于电机的固有频率时将发生共振,电机可能会产生听的见的噪音变化,同时振动增加,共振点将随应用场合和负载而变化,但共振点通常出现在70-200步/秒左右,在严重的情况下,电机在振荡点附近可能会失步,改变步进速率是避免系统中与共振有关的许多问题的最简单的方式。另外,半步或细分驱动通常可以减少共振问题,当加减速时,要尽可能快地越过共振区。

力矩
一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数
• 步进速度
• 通过绕组的电流大小
• 所使用的驱动器的类型
(直线电机所产生的力也取决于这些因素)
 

 

直线步进电机
    步进电机的旋转运动可以通过很多种机械方法转化成直线运动,这包括齿轮,齿条机构,皮带,皮带轮及其他机械机构,这些选择都需要外部机械零件,最有效的方法是将这些转化在电机内部完成,直线步进电机最早在1968年出现,图9是集中最典型的直线步进电机。


 
图9,海顿永磁式直线步进电机
    在直线步进电机内部通过一个内螺纹螺母和导螺杆完成了旋转运动向直线运动的转化,转子的内部被加工成内螺纹,导螺杆代替了轴,为了实现直线运动,导螺杆的旋转运动必须被限制,转子旋转时,内螺纹驱动导螺杆做直线运动,改变转子的旋转方向可以改变直线运动方向,永磁式直线步进电机的基本结构如图10所示。

 
图10,直线步进电机内螺纹转子和导螺杆界面剖视图
    直线步进电机的步长决定于电机的步距角和相互配合的内螺纹螺母和导螺杆的螺距,大螺距螺纹比小螺距螺纹产生的步长大,然而,对于给定的步进速度小螺距螺纹可以提供更大推力。当电机失电时,大螺距螺纹容易被反向驱动或推动,但小螺距螺纹通常却不容易被反向驱动或推动,为了保证高的工作效率,在转子和导螺杆之间必须有一定的自由度,这就要求在两者之间有一定的间隙,这大约有0.001英寸到0.003英寸轴向间隙(也叫反向间隙)。如果要求绝对的位置精度,可以选用本公司的带有游隙补偿设计的产品。我们的直线步进电机,在电机内部完成了旋转运动向直线运动的转化,这给许多应用带来了方便,使得机械结构更加简单,因为直线步进电机自身内部包括了相关部件,所以对于外部零件比如皮带及带轮的需要大大降低或免除,较少的零件使得设计更加容易,降低整个系统的成本和尺寸,并且提高了产品的可靠性。

 

疲劳/寿命
    正常情况下,HLM直线电机可完成多达2千万次的运行周期,而HLM旋转电机可提供长达25,000小时运行寿命。电机最终的疲劳和综合寿命由每个用户的具体应用情况决定。
连续工作制: 在额定电压下连续运行电机。
25%工作制: 在L/R驱动上以双倍的额定电压运行电机,电机通电时间大约为25%。电机产生的输出力矩比在额定电压下运行大约要多60%。注意,工作周期与施加在电机上的负载无关。
寿命: 直线电机的寿命为电机能在指定的负载下运动,并维持步进精确度的循环次数。旋转电机的寿命为工作小时数
一个运动周期: 直线电机的一个运行周期包括伸出以及缩回到初始位置的整个动作。
    对于如何选择适当的电机并确保其拥有最长的寿命,这里有一些通用的准则,但最终,如要在给一个给定的系统中确定步进电机的性能,最好在“现场条件”下,或在尽可能类似的现场的条件下进行组装测试。
    由于步进电机没有电刷所产生的磨损,起寿命通常超过系统中的其他机械零件,步进电机若失效,一般来说是由于一些机械零件失效而引起的,螺杆/螺母接合处及轴承是首先会产生疲劳失效的零件,而工作力矩或推力以及工作环境也会影响这些零件的寿命。
    如果电机在起额定力矩或推力,或接近其额定力矩或推力下运行,则其寿命将受到影响,海顿的测试表明电机寿命随工作负载的降低而呈指数增加,一般而言,电机应设计成在其最大承载能力的40%-60%下运行,一些环境因素,如高湿度,暴露于苛性化学制品中,大量的污垢以及热量,都会影响电机的寿命,组装中的一些机械因素,如直线电机中轴的侧向负载或旋转电机中的不平衡负载等,也将对电机寿命造成不利影响。
    如果在短时工作制下使用电机,并向电机施加较高的电压,则通电时间应保证其温升不超过电机的最大温升限制,如果电机没有足够的断电时间,将会产生太多的热量,以至绕组过热,最终导致电机失效。
    设计一个能将这些因素降低到最小的系统将确保电机的最大寿命,将寿命最大化的第一步是选择一个安全系数为2或更大的电机,第二步是通过将侧向负载,不平衡的负载和冲击载荷降低到最小来保证系数具有良好的机械性能,另外,系统应配备散热系统,如果系统中存在苛性化学品,则必须对电机和其他所有零件加以防护,最后,在“现场条件”下测试电机及其组件可确保应用适当。
    如果遵守了这些准则,海顿直线电机,将在广泛的领域内为您提供可靠的操作,如果您在设计上需要帮助,海顿的应用工程师将帮助您在我们的电机上获得最长寿命和最佳的性能。